（交通信息工程及控制专业论文）基于DSP的25Hz相敏轨道电路接收器的设计.pdf

中文摘要 摘要： 轨道电路是铁路列车运行实现自动控制和远程控制的基础设备之一。我国站 内轨道电路电气化区段主要使用具有抗工频干扰能力并具有良好的频率选择性与 相位选择性的2 5 h z 相敏轨道电路。2 5 h z 相敏轨道电路在使用中逐渐暴露出一些缺 点，由于接收端二元二位继电器的设计缺陷，已不能满足现场的需求。 随着我国c t c s 2 系统的推广，z p w - 2 0 0 0 系列无绝缘轨道电路成为地面推行 的主要制式。既有站改造的一个重要环节是对2 5 h z 相敏轨道电路电码化。这就需 要二元二位继电器具有可靠的频率选择性，在轨道线圈注入移频电流时，不能使 轨道继电器误动。电码化将对2 5 h z 相敏轨道电路接收器提出更高的要求。需要在 性能和结构上对2 5 h z 相敏轨道电路接收器进行改进。 针对二元二位继电器的缺陷，相关科研部门研制出基于单片机的微电子接收 器。不仅在设备结构和性能上有了改善，也顺应了当前铁路信号的电子化发展趋 势。在前人的基础上，本论文提出一种新的思想，将数字信号处理技术应用到2 5 h z 相敏轨道电路接收器中。 论文对f f r 以及数字互相关的算法进行了分析和仿真；对系统的主体电路结 构、主控芯片的选择、模拟输入通道设计和a d 采样方法进行了详细的介绍；论 文中给出了时钟电路、复位电路、数据存储器、j t a g 等各功能模块的设计原理， 完成了硬件电路设计和软件调试；系统的软件设计遵循模块化、自顶向下的设计 思路，文中重点分析了主程序的结构、a d 采样中断程序的设计、主要算法程序 的设计。 采用d s p 处理芯片对信号进行处理，比一般的单片机处理速度快，提高了实 时性。随着d s p 和a d 转换器的不断发展，系统的精度还有提升的空间。本论文 设计的的双芯片集成，双套软件算法分别处理，提高了安全性和可靠性，同时也 兼顾了效率；由于采用的主要是集成芯片，体积小，重量轻，功耗低和便于携带， 方便于现场维修和更换。 总体来说，本系统是实现2 5 h z 相敏轨道电路接收器电子化的有效途径。虽然 本论文中的设计并未成熟，但可看出将数字信号处理技术应用于2 5 h z 相敏轨道电 路接收器具有很好的应用前景。 关键词：相敏轨道电路；数字信号处理器；快速傅立叶变换；数字互相关；相位 差检测 分类号：u 2 8 4 7 a b s 职a c t a b s t r a c r t h et r a c kc i r c u i ti saf o u n d a t i o ne q u i p m e n to ft h et r a i nt or e a l i z ea u t o m a t i cc o n t r o l a n dl o n g - d i s t a n c ec o n t r 0 1 t h es t a t i o no fo u tc o u n t r ym o s tu s et h e2 5 h zs e r i e st r a c k c i r c u i t i th a st h ea n t i - p o w e rf r e q u e n c yd i s t u r b a n c ea b i l i t ya n dt h eg o o df r e q u e n c y s e l e c t i v i t ya n dt h ep h a s es e l e c t i v e b u tt h e2 5 h zs e r i e st r a c kc i r c u i te x p o s e ss o m e q u e s t i o n sg r a d u a l l y b e c a u s eo ft h ed e s i g nf l a wo ft h ed u a lt w or e l a y , i th a sn o tb e e n a b i et om e e tt h en e e d a l o n gw i t ht h ep r o m o t i o no fc t c s 一2s y s t e m ，t h ez p w - 2 0 0 0s e d e sn o n i n s u l a t i o n t r a c kc i r c u i tb e c o m e st h em a i ns e r v i c ep a u e mo ft h eg r o u n d t h ei m p o r t a n tl i n ko f t r a n s f o r m a t i o ni ss u p e r i m p o s e sz p w - 2 0 0 0o nt h ee x i s t i n g2 5 s e r i e st r a c kc i r c u i t t h e nt h ed u a lt w or e l a y sn e e d e dr e l i a b l ef r e q u e n c ys e l e c t i v i t yt om a k e s u r et h a ti tc a n n o tm i s t a k et om o v et h et r a c kr e l a yw h e nt h es h i f t e de l e c t r i cc u r r e n ti sp o u r e di n t ot h e t r a c kc o i l i tn e e d si m p r o v et h ep e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r eo ft h e2 5 i - i zs e n s i t i v et r a c k c i r c u i tr e c e i v e r i no r d e rt om a k e 叩t h ef l a wo ft h ed u a lt w o r e l a y s ，t h er e l a t e ds c i e n t i f i cr e s e a r c h d e p a r t m e n th a dd e v e l o p e dm i c r oe l e c t r o nr e c e i v e rb a s e do nt h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e d c i r c u i t n o to n l yh a dt h ei m p r o v e m e n ti nt h ee q u i p m e n ts t r u c t u r ea n dt h ep e r f o r m a n c e ， a l s oc o m p l i e sw i t ht h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ec u r r e n tr a i l w a ys i g n a l o np r e d e c e s s o r s f o u n d a t i o n ，t h ep r e s e n tp a p e rp r o p o s e dn e wt h o u g h to fa p p l i e st h ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt ot h e2 5 h zs e r i e st r a c kc i r c u i tr e c e i v e r t h ep a p e rh a sa n a l y s i s e da n ds i m u l a t e dt h ef f r a l g o r i t h ma n dt h ed i g i t a lm u t u a l c o r r e l a t i o na l g o r i t h m t h ep a p e rh a v ec a r r i e do nt h ed e t a i l e di n t r o d u c t i o na b o u tt h e s y s t e mm a i nb o d ye l e c t r i cc i r c u i ts t r u c t u r e ，t h ec h o i c eo fm a s t e rc o n t r o lc h i p ，t h ea n a l o g i n p u tc h a n n e ld e s i g na n dt h e 加s a m p l i n gm e t h o d t h ep a p e ra l s og a v et h ed e s i g n p r i n c i p l eo ft h ec l o c ke l e c t r i cc i r c u i t ，r e p o s i t i o n e dt h ee l e c t r i cc i r c u i t , t h ed a t a c a r r i e r s t o r a g e ，j t a ga n dv a r i o u sf u n c t i o nm o d u l e s ，h a sc o m p l e t e d t h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n a n dt h es o f t w a r ed e b u g g i n g s y s t e ms o f t w a r e sd e s i g nh a sd e f e r e n c e dt h em o d u l a t i o n p r i n c i p l e ，h a se m p h a s i sa n a l y z e dt h ec o n s t r u c t i o no ft h em a s t e rr o u t i n e ，t h ed e s i g no f a d s a m p l i n gi n t e r r u p t t h ed e s i g no ft h em a i na l g o r i t h m u s e st h ed s p p r o c e s s i n gc h i pt op r o c e s st h es i g n a l , w a sq u i c k e rt h a nt h ec o m m o n m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t h a se n h a n c e dt i m e l i n e s s a l o n gw i t hd s pa n dt h ea ，d s w i t c h sd e v e l o p m e n t ，t h ep r e c i s i o na l s oh a st h ep r o m o t i o ns p a c e p r e s e n tp a p e rd e s i g n t h ed o u b l ec h i pi n t e g r a t i o n ，t h ed o u b l ed r a u g h ts o f t w a r ea l g o r i t h mt op r o c e s ss e p a r a t e l y , h a se n h a n c e dt h e s e c u r i t ya n dt h er e l i a b i l i t y , h a sg i v e na t t e n t i o nt o t h ee f f i c i e n c y s i m u l t a n e o u s l y b e c a u s eo ft h ei n t e g r a t e dc h i p ，t h ev o l u m ei ss m a l l ，t h ew e i g h ti sl i g h t ， t h ep o w e rl o s si sl o wa n di ti sa d v a n t a g e o u sf o rc a r r y , f a c i l i t a t e st om a i n t e n a n c ea n d r e p l a c e m e n t g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h i ss y s t e mh a v et h ea d v a n c e ds i g n i f i c a n c e i ti sag o o dw a yt o i m p r o v et h e2 5 h zs e r i e st r a c kc i r c u i tr e c e i v e r a l t h o u g ht h ed e s i g ni nt h i sp a p e ri s i m m a t u r e ，b u ti th a sag o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：s e r i e st r a c k c i r c u i t ；d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ；f a s t f o u r n i e r t r a n s f o r m a t i o n ；d i g i t a lm u t u a lc o r r e l a t i o n ；p h a s ed i f f e r e n c ee x a m i n a t i o n c l a s s n 0 ：u 2 8 4 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：要弁 签字日期：聊年7 - 月“日 导师签名： 签字日期：堋年厂多月衫日 韭壅銮遵盔堂亟堂位硷塞鲨剑邕壹婴 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：景专签字只期： 刁 年 2 月彩日 致谢 本课题的完成，得益于许多老师和同学的帮助，在此表示衷心的感谢。 首先感谢我的导师蒋大明老师的悉心指导和关怀。蒋老师渊博的学识、严谨 踏实的治学态度、实事求是的科研作风、诲人不倦的育人精神和独到精辟的见解 给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅，也必将使我受益终生。在蒋老师门下学 习的两年半时问将是我人生中不可多得的难忘的宝贵的一段经历。 感谢实验室的戴胜华老师，北京全路通信信号研究设计院列控所电码化组的 刘伟老师、安海君老师、。在论文的开题，文献查阅和具体实验中均给予了悉心的 指导，我的每一步进展都倾注了他们极大的心血。在此谨向三位老师致以衷心的 感谢。 在课题工作及撰写论文期间，北京铁路信号工厂的毛工、设计院的贺工对我 论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 还要感谢姚亚平、王树柯、权晓娟、杨字慧、潘长清、王林等同学的鼓励和 关心。特别感谢姚亚平同学在课题进行中提供了许多有益的参考意见。同时向其 他对我提供了帮助的老师、同学们表达我诚挚的谢意。 向多年来一直默默无闻支持我的家人表达最深切的感谢和敬意。 最后，向参加此次论文评审的专家表示衷心的感谢。 1 1 引言 1 综述 进入2 0 世纪9 0 年代以来，世界范围内掀起了一个轮轨高速铁路建设的新高 潮，其特点表现在高速度、高舒适度、高安全度和高效率。目前全世界新建成的 轮轨高速铁路已达4 0 0 0 多公里，正在建设的有3 0 0 0 多公里，高速列车营业服务 范围超过1 0 0 0 0 公里。铁路进入到一个新的发展时期。 在铁路建设的同时，面向乘客和货主的服务是铁路运输组织和管理方式必须 解决的首要问题，铁路运输的信息化、网络化、自动化和智能化是解决上述问题 的最佳选择。信息技术、计算机技术、控制理论，以及现代通信技术的发展为铁 路信息化、铁路信号与通信的发展提供了坚实的理论基础和物质基础，推动铁路 信号实现集中化、网络化、自动化和智能化，铁路信号系统的新产品和新设备层 出不穷。 铁路通信信号系统是铁路运输的基础设施，是实现铁路统一指挥调度，保证 列车运行安全、提高运输效率和质量的关键技术设备，也是铁路信息化技术的重 要技术领域。在信号方面，几乎所有的信号设备和系统都实现了微电子化，以继 电器为基础的老式信号设备正在被加速淘汰。 以联锁设备为基础的综合调度集中和列车运行控制系统成为当前铁路信号发 展的主流。通信信号一体化成为当今铁路通信信号发展的主要方向。 列车超速防护系统和列车自动控制系统在提速铁路和高速铁路中发挥了突出 作用【。随着欧洲e t c s 系统发展规划的实施，列车超速防护系统和列车自动控制 系统的技术将加速向普通铁路转移。长期以来，通信信号系统都是随着列车速度 和安全要求的提高逐步发展起来的，受技术的限制，几乎所有的通信信号设备各 成系统，互为独立，形成了简单叠加的堆砌系统。这样，不仅系统结构复杂，而 且成本很高，在一定程度上限制了铁路通信信号技术的发展。一体化的进程可以 归纳为两个方向、三个重点。两个方向为：利用网络技术实现两个及两个以上系 统的结合、以移动无线通信为平台，构筑一体化的总合系统，如e t c s 系统等。 三个重点分别为：以车站计算机联锁系统为核心综合集成、以列车运行控制为核 心综合集成、以调度集中系统为核心综合集成。 1 1 1 轨道电路在国外列控系统中的应用 随着列车速度的提高，列车的运行安全除了以进路保证外，还必须以专用的 安全设备监督，乃至强迫列车执行【”。这些安全设备从初级的列车自动停车装置、 自动警告装置、列车速度自动监督系统到列车速度自动控制系统。各国铁路比较 一致的看法认为，在最高运营速度为1 6 0 k m h 以下的铁路，采用列车自动停车装 置或有简单速度检查功能的列车自动停车装置就可以。在提速线路，例如最高运 营速度提高到2 0 0 k m h 的线路，列车超速防护系统是必须装备的安全设备，在高 速铁路则必须安装列车自动控制系统，如日本和德国的铁路也在提速线路和繁忙 的普通线路上安装列车自动控制系统。近几十年来，列车自动控制系统一直是各 国铁路开发的重点，其技术和功能都有很大提高。 列车自动控制系统( a t c ) 一般指系统设备，包括地面设备和车载设备，同时 也是一种闭塞方式。这个系统是列车超速防护和机车信号系统一体化系统，主要 功能有四项：检查列车在区间的位置( 列车检测) ；形成速度信号( 调整列车间隔) ； 向机车( 列车) 发送速度信号和目标距离信号( 信号传输) ；按速度或目标距离信 号控制列车制动( 制动控制) 。上述前三项功能由地面设备完成，第四项功能由车 载设备完成。 欧洲列车运行控制系统e t c s 是欧洲铁路运输管理系统( e r t m s ) 的重要组 成部分。通过对机车信号、全自动列车防护、标准车地接口和通信规则的不同配 置，实现与欧洲既有系统的兼容性和通用性。e t c s 制定了5 个应用等级，其中 e t c s l 级系统采用轨道电路完成轨道区段的空闲占用检查和列车完整性检查。 法国铁路信号技术在世界上处于先进行列。t g v 高速铁路的t v m 3 0 0 和 t v m 4 3 0 系统，采用u m 系列无绝缘轨道电路。配合t v m 3 0 0 的为u m 7 1 无绝缘 轨道电路，向机车发送1 8 种低频调制信息。t v m 4 3 0 系统对u m 7 1 进行了数字化 改造，称为u m 2 0 0 0 无绝缘轨道电路，低频信号增加到2 8 种，其中一种低频信号 为轨道占用信号。法国作为主要供应商的西班牙马德里一巴塞罗那线，采用符合 e t c s 2 级标准的系统，列车占用检测靠u m 2 0 0 0 轨道电路。 德国铁路的轨道区段检查设备有两类：轨道电路和计轴器。德国铁路轨道电 路与计轴器一样，只承担检查轨道区段有车占用和出清的功能。针对于铁路和城 市轨道交通，德国西门子有多种型号列车运行控制系统，列车检测功能主要由轨 道电路来实现，为a t c 地面设备提供“物理空闲”或“物理占用”状态。德国的l z b 系统地面采用铺设在轨道内的轨道电缆作为列车控制信息传输通道，地面和车载 设备之间以感应通信方式进行数字电码双向传输。 俄罗斯铁路信号设备的装备率很高，技术发展也具备自身特点，在占世界铁 2 路7 的线路上完成世界铁路货运量3 5 和客运量1 8 ，是客货运并重的国家。截 止到1 9 9 9 年，自动闭塞装备为6 2 2 7 8 公里，其中交流计数电码自动闭塞占4 9 9 ， 集中移频自动闭塞占1 0 6 。通用型自动闭塞采用2 5 h z 相敏轨道电路。我国的铁 路制式与俄罗斯比较相似。 从1 9 8 4 年开始，美国开始研究不用轨道电路和信号机，而用最新的无线通信 技术和电子计算机技术，通过人造卫星和雷达控制铁路行车的先进列车控制系统。 由列车本身检测列车的所在位置，通过无线通信系统把列车位置信息传送给地面， 地面根据来自各列车的位置信息和站内进路状态决定列车可以安全运行的区间和 速度，并通过无线通信系统通知列车，列车再根据来自地面的信息以及线路坡度、 列车自身制动能力等数据计算出可以安全运行的速度。准确测量列车的位置与速 度是a t c s 得以实现的前提条件。根据线路上应答器给出的位置与列车上速度表 显示的速度计算出列车的位置。 综观世界各国列车控制系统的发展和实践，始终没有摆脱轨道电路。除了少 数使用高端技术的列车控制系统，其他所有制式的地面设备均采用轨道电路通道 传输信息。高端技术例如基于无线通信的列车控制系统( c b t c ) 、雷达定位、全 球定位系统、无线测距等技术也许能有更精确的效果，但是技术难度较高，技术 也相对不成熟，对于既有线路来说实现比较困难，改造耗费太多。对于大多数拥 有现有设备的线路，应用轨道电路检测轨道占用状态和传递信息才是切实可行的 方法。 1 1 2c t c s 2 系统中的轨道电路 我国铁道部2 0 0 2 年开始立项对e t c s 技术规范进行研究，提出发展c t c s 的 战略目标。2 0 0 4 年铁道部发布了“c t c s 技术规范总则”、“c t c s 2 技术条件”等规 范文件。文件描述了c t c s 的基本概念、目标、框架结构、分级和各级间的兼容 关系，是c t c s 系统设计、设备研制的强制性规范1 1 】 2 1 1 3 】。 在充分借鉴欧洲发展e t c s 成功经验的基础上，经过充分调查研究和专家论 证，对c t c s 作出了总体规划。中国发展c t c s 技术既要兼顾既有设备的现状， 也要充分考虑未来的发展，避免造成人力物力的浪费和制式的混乱。从中国的国 情、路情实际出发，中国列车运行控制系统划分为0 4 级。 c t c s - 0 级，既有线的控车模式。采用区间轨道电路、叠加站内电码化、通用 机车信号、列车运行监控装置。 c t c s 1 ，针对中国主要干线装备现状，对既有设备实行强化改造，在主体化 机车信号的基础上，通过补点，实现具有中国特色的点连式a t p 。即主体化机车 3 信号( 区间、站内轨道电路进行强化改造、故障安全型机车信号) 、点式设备、安 全型监控装置。 c t c s 2 ，基于既有自动闭塞轨道电路的a t p 系统，适用提速及客运专线。地 面车载一体化系统设计车载设备有机结合；采取速度距离模式曲线；地面采用 z p w 2 0 0 0 系列无绝缘轨道电路，并辅以必要的点式设备，组成点连式a t p 。 c t c s 3 ，基于轨道电路和无线通信( g s m r ) 的a t p 系统。轨道电路在实现 区段占用与列车完整性检查方面具有不可替代的优势：无线通信( g s m r ) 在满 足我国铁路移动信息网需求的同时，又能解决超防信息高速率可靠传输，两者结 合是强强互补。再辅以定位校核的点式设备，系统具有与国际接轨的先进性。 c t c s - 4 ，完全基于无线通信( g s m r ) 的a t p 系统。该系统具有移动自动闭 塞的特征。区间占用靠g p s 和g s m r 实时数据传输解决( 站内仍需轨道电路) 。 列车完整性检查、定位校核分别靠车载设备和点式设备实现，使得室外设备减少 到最低程度。 目前我国以c t c s 2 作为主要制式推广使用。 该系统的总体设计原则为：在我国既有成熟信号系统技术设备基础上( 如：自 动闭塞、机车信号、车站联锁、调度集中等) ，通过适当增加其它信号设备( 如： 应答器、列控车载设备) ，构成具有连续速度控制功能并符合国际列控系统功能需 求规范( e t c s ) 的列控系统。考虑建设周期的长期性，系统应与既有线信号系统 具有良好的兼容性。为使技术在我国铁路可持续健康发展，系统技术应具有自主 知识产权，设备国产化生产。 c t c s 2 的地面设备为：地面列控中心、z p w - 2 0 0 0 系列无绝缘轨道电路、欧 洲查询应答器、c r c t d c s 。 轨道电路的主要功能为：列车轨道占用检查、列车完整性检查，地车间连续 信息传输媒介。c t c s 2 系统采用z p w - 2 0 0 0 a 轨道电路，该制式2 0 0 2 年5 月通过 部级鉴定，评价为：具有国际先进水平，并具有我国铁路自主知识产权；2 0 0 3 年 铁道部发文通知；必须用z p w 2 0 0 0 系列设备统一我国自动闭塞制式；自2 0 0 3 年 底开始用z p w - 2 0 0 0 a 系统对原有自闭线路进行改造，至今已开通1 万余公里复线， 正在设计和建设的近8 0 0 0 公里。 地面列控中心的功能为：根据其管辖范围内各列车位置、联锁进路以及线路 限速状况等信息，确定各列车运行许可，并通过轨道电路以及应答器实时传送给 管辖区内在线运行列车。 我国既有线上，站内使用最多的为2 5 h z 相敏轨道电路，在现有2 5h z 相敏轨 道电路上叠加z p w - 2 0 0 0 a ，成为既有线改造为c t c s 一2 的主要手段。 4 1 22 5 h z 相敏轨道电路 1 2 12 5 h z 相敏轨道电路的发展 轨道电路是钢轨线路和连接于其始端及终端的器械总称。通过轨道电路，可 以检测轨道上有无列车( 车辆) 占用；能发送关于轨道是否空闲与是否完整的信息， 起着一个信息发送器的作用；同时还起着通过信号机之间，以及地面设备与机车 设备之间信息发送与接收通道的作用。因而轨道电路是铁路列车运行自动控制和 远程控制的基础设备之一吼 在铁路牵引动力实行交流电气化以后，工频牵引电流会对轨道电路产生干扰 影响，因此，要求轨道电路除完成检测轨道上有无列车( 车辆) 占用的功能外，还必 须具有抗牵引电流干扰的功能。一般情况下，采用轨道电路的信号电流频率与牵 引电流的频率( 包括其谐波) 不同的方法，使轨道电路的接收设备只有接收到由发送 设备发出的信号时才能工作。2 5 h z 相敏轨道电路就是一种适应铁路电气化抗干扰 要求的轨道电路。 原苏联和i ：t 本于2 0 世纪6 0 年代初几乎在相同的时间，根据变参数振荡原理， 研制成了基本采用铁磁元件的铁磁分频器，这样就可以从工频电源经分频后直接 获得2 5 h z 信号电源，且具有频率和工作稳定、维修周期长、能长期连续工作和就 地变频的特点原苏联从1 9 6 7 年起在工频电气化区段的站内，采用2 5 h z 相敏轨道 电路，接收端采用二元二位继电器，并从1 9 7 0 年起决定在今后做新设计时，站内 一律采用该制式。近年来在区间自动闭塞中，也有采用2 5 h z 相敏轨道电路的。日 本研制的铁磁分频器，在结构上基本与原苏联相同，也采用交流二元二位继电器， 但称为分频轨道电路( 也有在受电端加以倍频的分频轨道电路) 。日本从1 9 6 3 年起 正式使用分频( 分、倍频) 轨道电路以来，截止到1 9 8 2 年，将近2 0 年，这种轨道电 路( 包括分、倍频) 约占日本轨道电路总里程数的2 5 以上。分频轨道电路在日本 电气化区段己经作为一种站内轨道电路的标准制式推广使用。 我国于1 9 7 8 年底，由中国铁路通信信号总公司研究设计院参考国外同类制式， 开始研制2 5 h z 相敏轨道电路。1 9 8 2 年2 月铁道部进行了技术鉴定，并批准推广使 用。以后在丰沙大( 丰台一沙城一大周) 、京秦、贵昆、西陇海、北同蒲、京广、太 焦、焦枝等线相继开通使用。2 5 h z 相敏轨道电路已成为我国电气化区段站内轨道 电路的主要制式。 经过当时实践考验，该制式轨道电路具有以下特点： ( 1 ) 该制式由于采用的信号频率低，所以有较好的传输特性； ( 2 ) 相敏轨道电路由于采用二元二位继电器，其具有相位选择性和频率选择 5 性，对轨端绝缘破损和外界牵引电流或其他频率电流的干扰能进行防护。可采用 连续式供电，使之应变速度快，便于电码化时迅速发送机车信号信息； ( 3 ) 轨道电路采用2 5 i - i z 频率后，与其他工频连续式轨道电路比较，在相同的 条件下，受道碴电阻变化的影响较小，因而改善了传输特性； ( 4 ) 2 5 h z 电源是运用分频的原理构成的，由于5 0 h z 工频稳定，所以它也有频 率稳定的特性； ( 5 ) 由于2 5 h z 分频器的固有特性，当两分频器的输入端反向连接时，则其输 出电压相差9 0 度，易于做成局部电源电压恒超前轨道电源电压9 0 度，因而可以 采用集中调相方式； ( 6 ) 2 5h z 分频器具有不可逆性。虽然5 0 h z 不平衡牵引电流通过扼流变压器、 轨道变压器流入轨道分频器的输出回路，其输入端不可能有1 0 0 h z 电流，即局部分 频器的输入端得不到1 0 0 h z 电流，在局部分频器的输出端也就不可能有5 0 h z 电流。 局部信号不受接触网电流感应产生的5 0 h z 干扰电压的影响，在一定程度上保证了 轨道继电器不受牵引电流干扰而错误吸起； 伪“田”字型分频器的两线圈呈9 0 度位置放置，输入线圈的交流电产生的磁通 不与谐振线圈完全相交，因此原则上排除了在输入线圈问有局部短路时输入线圈 5 0 h z 电流向分频器输出电路的变换，大大降低输出2 5 h z 回路中5 0 h z 成分，可限 制在不大于4 的范围内，保证了即使在防护盒断线的情况下，轨道继电器也不会 误动： 侣) 分频器具有稳压特性，当输入的5 0 h z 电源电压在2 2 0 - 4 4 至2 2 0 + 3 3 v ，负 载由空载至满载的范围内变化时，分频器的输出电压仅在2 2 0 6 6 v 至2 2 0 + 6 6v 范围内变化，因而提高了轨道电路工作的稳定性； ( 9 ) 2 5 h z 相敏轨道电路由于采用了连续式供电方式，就可对整个轨道电路的 技术性能和指标用一般的原理和数学方法进行理论分析或计算，从而较方便地找 出其工作的最不利条件和极限指标，更便于通过试验手段对理论计算加以验证； ( 1 0 ) 由于其良好的频率选择特性，可以叠加国产( 4 信息、8 信息、1 8 信息) 移频和z p w 2 0 0 0 系列( 或u m 7 1 系列) 移频，能够在确保“故障一安全”的前提下 实施各种电码化。 由于2 5 i - i z 相敏轨道电路具有以上优点，深受现场欢迎，大面积投入使用。 1 2 2 二元二位继电器的工作原理 用于2 5 h z 相敏轨道电路的接收器采用二元二位继电器属于交流感应式继电 器，根据电磁铁所建立的交变磁场与金属转子中感应电流之间相互作用的原理而 6 动作闭。 继电器由带轴翼板、局部线圈、轨道线圈和接点组四大部件组成，安装在压 铸铝合金支架内。活动部分采用滚珠轴承，双重防护，使翼板转动灵活、耐久。 当继电器通以规定频率的电流，且局部线圈电压超前轨道线圈电压的角度为 0 0 n 时，运 算量节省约一半。 既然n 点d f t 分解成两个n 2 点d f t 来计算可使运算量节省近半，那么可 将每个n 2 点d f t 进一步分解，分成两个n 4 点d f t ，每个n 4 点d f r 分解成 n 8 点d f t ，依次类推，直到分解成两点d f r 为止，那么显然计算量将大大减少。 当n 越大，计算量将会减少的越多。 一般地，取n 为2 的整数幂，则n 点f f t 包含l 0 9 2 n 次因子分解或说是迭代 运算，每次迭代有n 2 个蝶形运算，所以n 点f f t 总共需要n 2 t l 0 9 2 n 复数乘法 和n l 0 9 2 n 次复数加法。 1 7 韭鏖銮塑盔堂亟堂焦：| 盆塞堡i 金基亘l ! | 盟! 盟i 虹盟 虬蕃业 綦 也一 筮! l 垡l苎i 釜f 址 瀵 盟 盟蕃盟垒i 赴盟 垃出1 2i 盟垃 盟涿盟藩盟鲤 熊j 盟盟盟 a ( n a ( 7 )a 7 )a ( 7 ) x ( o ) x ( 1 ) x ( i ) x ( 3 ) x 4 ) x ( 5 ) x ( o x ( 7 ) 图2 2 8 点f f t 运算流图 f i 9 2 2e i g h t p o i n tf f rc o m p u t a t i o nf l o wd i a g r a m 图2 2 所示的f f r 信号流程图是置换算法，即变换的结果仍然存储在原始数 据所在的那些存储单元中，也就是说，n 点变换只需要n 个存储单元即可。对置 换算法，原始数据序列x ( n ) 或结果数据输出序列x ( k ) 总有一个需要经过二进制倒 序。从图中可以看出，x ( k ) 是按自然序列排列的，而x ( n ) 是按某种被打乱的次序排 列的。若将图中的时间序列号n 和频率序列号k 用二进制表示，那么可以看出， 再同一行中，n 和k 呈二进制倒序关系。在各种算法中，有两种倒序关系，一种是 正序输入，倒序输出：另一种是倒序输入，升序输出。对置换算法，二进制倒序是 不可避免的，而对非置换算法，则可以通过某种方法实现正序输入，正序输出。 在本系统的程序中，为了节省d s p 的存储空间，采用按时间抽取的倒序输入， 正序输出算法。 2 2 2 数字互相关的定义 在信号处理中经常要研究两个信号的相似性，或者一个信号经过一段时间延 后和自身的相关性，以实现信号的检测、识别与提取1 6 l l l l s | 。相关检测技术是信号 检测领域里一种重要工具，它能在低信噪比的情况下提取出有用的信号，具有较 强的抗噪声的能力，如同频域晕的谱分析一样，时域里的相关分析几乎在信号的 所有领域里都有应用，例如图象处理、卫星遥感、雷达及超声探测、医学和通信 工程等领域。 互相关函数可以理解为两个信号的乘积的时间平均。一方面它可以用来了解 两个未知信号的时间关系，另一方面它有很强的抗噪声的能力，这是因为噪声信 号的相关系数几乎为零的原因，所以在微弱信号中经常使用相关检测的方法提取 蚋 晌 蛹 蛳 蚋 蚂 蚺 柳 有用的信号。 信号x ( f ) 和) ，( f ) 的互相关函数严格定义为： 1 f 如p ) 。艘手p ( f ) y o + v ) d t ( 2 9 ) 其中t 是平均时间 如果x o ) 和) ，o ) 是周期为瓦的周期信号，则只需要在它的一个周期里作相关计 算即可： p ) 。专r ( f ) y p 渺 如果x o ) ，) ) 是两个能量有限的确定性信号， 数字域中的互相关函数的公式如下： p ) t 工o ) y o + f ) ( 2 1 0 ) 并假设它们是因果的，那么 化1 1 ) 如果x 0 ) ，y ( n ) 都是周期为n 的信号序列，定义其互相关函数为： 扣) 2 专荟m ) y o + f ) ( 2 1 2 ) 两个信号的时差为f 2 ，r 为采样时间间隔，通常称f 为时差。 以上都是相关函数的讨论，下面给出相关系数的定义，设x ( n ) ，y ( n ) 是两个 能量有限的确定性信号，并假设它们是因果的，定义相关系数为： o e x ( n ) y ( n )( 2 1 3 ) 为方便讨论，定义归一化的相关系数为： + 。，r 。1 必 岛4 磊砌沙。i 荟，伽) 磊y 2 l ( 2 j 4 ) 由许瓦兹不等式，有：l p 。is 1 当x ( n ) = y ( n ) 时，j d 。= 1 ，两个信号完全相关，这时取得最大值；当x 0 ) 和 ) ，o ) 完全无关时，p 匆= o ，：o ；当x o ) 和y o ) 有某种程度的相似时，j o ，l p ，i 在0 和1 中间取值，由此可见p o 和。可用来描述x q ) 和y o ) 之间的相似程度。 如果z 0 ) ，) ，o ) 都是周期为n 的信号序列，相关系数和归一化相关系数又可 以写成： 勺亩磊州_ ) ，o ) ( 2 1 5 ) 岛。磊1 力“n ) i 荟，荟广o ) j ( 2 j 6 ) t r * * 1 力 2 3 数字信号处理技术在本系统的应用 2 3 1f f r 在信号频率检测